Universo

O Universo é máis comunmente definido como todo o que existe fisicamente: a totalidade do espazo e do tempo, de todas as formas da materia, a enerxía e o impulso, e as leis e constantes físicas que as gobernan. A grande escala, é o obxecto de estudo da cosmoloxía, que se basea na física e na astronomía, aínda que algúns dos temas de estudo bordean a metafísica. O Universo comprende todo o que ten existencia dentro dunha determinada clase de obxectos ou entidades. Hoxe en día, os expertos non están de acordo sobre se é posible (en principio) de chegar a observar a totalidade do Universo.

Universo

WMAP imaxe da radiación cósmica de fondo
Diámetro	Posiblemente infinita, polo menos 91 millóns de anos luz (28×109)
Volume	Polo menos 4×1083 litros
Masa (materia común)	Polo menos 1053 kg
Densidade	4.5 x 10−31 g/cm3
Temperatura media	2.72548 K
Contido	Todo
Ingredientes	Materia ordinaria (4.9%), materia escura (26.8%), enerxía escura (68.3%)
Forma	plana con só unha marxe de 0,4% de erro
Idade	13.799 ± 0.021 billóns anos

A imaxe de luz visible máis profunda do cosmos, o Campo Ultra Profundo do Hubble.

Localización da Terra no seo do Universo.

Universo é unha palabra derivada do latín que á súa vez provén de unus ('un', no sentido de 'único') e versus ('desenvolvido, posto xunto'). Con todo, o termo "universo" pode ser utilizado en sentidos contextuais lixeiramente diferentes, para referirse a conceptos como o cosmos, o mundo ou a natureza.

Observacións astronómicas indican que o universo ten unha idade de 13,73 ± 0,12 millardos de anos e polo menos 93 000 millóns de anos luz de extensión. O evento que se cre que deu inicio ao universo denomínase big-bang. Naquel instante toda a materia e a enerxía do universo observable estaba concentrada nun punto de densidade infinita. Despois do big-bang, o universo comezou a expandirse para chegar á súa condición actual, e continúa facéndoo.

Debido a que, segundo a teoría da relatividade especial, a materia non pode moverse a unha velocidade superior á velocidade da luz, pode parecer paradoxal que dous obxectos do universo puidesen separarse 93 mil millóns de anos luz nun tempo de unicamente 13 mil millóns de anos; con todo, esta separación non entra en conflito coa teoría da relatividade xeral, xa que esta só afecta ao movemento no espazo, pero non ao espazo mesmo, que pode estenderse a un ritmo superior, non limitado pola velocidade da luz. Polo tanto, dúas galaxias poden separarse unha da outra máis rapidamente que a velocidade da luz se é o espazo entre elas o que se dilata.

Medicións sobre a distribución espacial e o desprazamento cara ao vermello (redshift) de galaxias distantes, a radiación cósmica de fondo de microondas, e as porcentaxes relativas dos elementos químicos máis lixeiros, apoian a teoría da expansión do espazo, e máis en xeral, a teoría do big-bang, que propón que o universo en si se creou nun momento específico do pasado. Observacións recentes demostraron que esta expansión estase acelerando, e que a maior parte da materia e a enerxía no universo é fundamentalmente diferente da observada na Terra, e non é directamente observable (véxanse materia escura e enerxía escura). A imprecisión das observacións actuais limitou as predicións sobre o destino final do universo.

Os experimentos suxiren que o universo rexeuse polas mesmas leis físicas, constantes ao longo da súa extensión e historia. A forza dominante en distancias cósmicas é a gravidade, e a relatividade xeral é hoxe en día a teoría máis exacta para describila. As outras tres forzas fundamentais, e as partículas nas que actúan, son descritas polo modelo estándar. O universo ten polo menos tres dimensións de espazo e unha de tempo, aínda que experimentalmente non se poden descartar dimensións adicionais moi pequenas. O espazo-tempo parece estar conectado de forma sinxela, e o espazo ten unha curvatura media moi pequena ou ata nula, de maneira que a xeometría euclidiana é, como norma xeral, exacta en todo o universo.

A ciencia modeliza o universo como un sistema pechado que contén enerxía e materia adscritas ao espazo-tempo e que se rexe fundamentalmente por principios causais.

Baseándose en observacións do universo observable, os físicos intentan describir o continuo espazo-tempo en que nos atopamos, xunto con toda a materia e enerxía existentes nel. O seu estudo, nas maiores escalas, é o obxecto da cosmoloxía, disciplina baseada na astronomía e a física, na cal descríbense todos os aspectos deste universo cos seus fenómenos.

A teoría hoxe en día máis aceptada sobre a formación do universo, dada polo belga valón Lemaître, é o modelo do big-bang, que describe a expansión do espazo-tempo a partir dunha singularidade espazotemporal. O universo experimentou un rápido período de inflación cósmica que arrasou todas as irregularidades iniciais. A partir de entón o universo expandiuse e converteuse en estable, máis frío e menos denso. As variacións menores na distribución da masa deron como resultado a segregación fractal en porcións, que se atopan no universo actual como cúmulos de galaxias.

En canto ao seu destino final, as probas actuais parecen apoiar as teorías da expansión permanente do universo (Big Freeze ou Big Rip), aínda que outras afirman que a materia escura podería exercer a forza de gravidade suficiente para deter a expansión e facer que toda a materia se comprima novamente; algo ao que os científicos denominan o Big Crunch ou a Grande Implosión.

Universo observable

Artigo principal: Universo observable.

Ilustración do universo observable co Sistema Solar no centro, os planetas interiores, o cinto de Asteroides, os planetas exteriores, o cinto de Kuiper, a nube de Oort, Alfa Centauri, o brazo de Perseus, a Vía Láctea, Andrómeda e as galaxias próximas, a arañeira cósmica de cúmulos galácticos, a radiación de fondo de microondas e o big-bang no bordo.

Os cosmólogos teóricos e astrofísicos utilizan de xeito diferente o termo universo, designando ben o sistema completo ou unicamente unha parte del. Segundo o convenio dos cosmólogos, o termo universo refírese frecuentemente á parte finita do espazo-tempo que é directamente observable utilizando telescopios, outros detectores, e métodos físicos, teóricos e empíricos para estudar os compoñentes básicos do universo e as súas interaccións. Os físicos cosmólogos asumen que a parte observable do espazo comóbil (tamén chamado o noso universo) corresponde a unha parte dun modelo do espazo enteiro e normalmente non é o espazo enteiro. Frecuentemente utilízase o termo o universo como ambas: a parte observable do espazo-tempo, ou o espazo-tempo enteiro.

Algúns cosmólogos cren que o universo observable é unha parte extremadamente pequena do universo «enteiro» realmente existente, e que é imposible observar todo o espazo comóbil. Hoxe en día descoñécese se isto é correcto, xa que de acordo aos estudos da forma do universo, é posible que o universo observable estea preto de ter o mesmo tamaño que todo o espazo. A pregunta segue debaténdose. Se unha versión do escenario da inflación cósmica é correcta, entón aparentemente non habería xeito de determinar se o universo é finito ou infinito. No caso do universo observable, este pode ser só unha mínima porción do universo existente, e por conseguinte pode ser imposible saber realmente se o universo está sendo completamente observado.

Historia do estudo do universo

O estudo do universo, a pesar da súa inaccesibilidade, foi unha preocupación constante desde a máis remota antigüidade. Naturalmente que, naquelas épocas, o coñecemento do universo se reducía tan só a unha pequena parte do sistema solar (aquela que é visible directamente). Nas antigas civilizacións críase que a Terra era plana e, ao non poder comprender que puidera sosterse por si soa no espazo, imaxinaron que estaba sostida por heroes ou por monstros (Atlas, para os gregos; un dragón sagrado para os chineses; catro elefantes xigantes para os indios; unha serpe, para os xaponeses etc.).

Os antigos babilonios foron os iniciadores do estudo "do ceo", é dicir, da astronomía. Nesta época efectúanse os primeiros rexistros astronómicos sistemáticos. Os babilonios trataban de identificar os planetas máis próximos á Terra, e desenvolveron un preciso sistema que lles permitiu predicir os movementos da Lúa e, polo tanto, as eclipses e, posteriormente, un calendario baseado nos desprazamentos do noso satélite (calendario, chamado lunar, aínda hoxe utilizado nos países árabes e de cultura islámica). Descubriron numerosos astros, deron nome a algunhas constelacións, como as do zodíaco etc.

Aínda que os coñecementos astronómicos dos exipcios, coetáneos dos babilonios, eran inferiores aos destes, a civilización exipcia incorporou moitos dos seus logros. Os antigos exipcios melloraron o calendario e comprobaron que algúns fenómenos naturais (como, por exemplo, as enchentes do Nilo) non coincidían con este. Destacaron tamén pola súa precisión (as pirámides están perfectamente orientadas aos catro puntos cardinais) e polo seu culto aos astros, especialmente ao Sol (Ra).

Os antigos gregos tamén contribuíron ao coñecemento do universo, recoñecendo a esfericidade da Terra, clasificando as estrelas pola súa magnitude etc. A partir do século VI a.C., dúas escolas de filosofía propuxeron concepcións diferentes do cosmos, aínda que cunha importante coincidencia: ambas postulaban unha orde intelixíbel e racional que permite describir e predicir os acontecementos celestes mediante a observación e o cálculo. A escola pitagórica explicaba o universo segundo un modelo matemático baseado na harmonía dos números. Pola súa parte, a escola platónica consideraba os corpos celestes como entes obrigados a describir movementos circulares, o que permitía medir as súas translacións.

Aristóteles (Estaxira, 384 a.C. - Calcis, 322 a.C.), discípulo de Platón, estableceu solidamente o modelo xeocentrista ao definir a forma do cosmos como unha serie de esferas concéntricas xirando ao redor da Terra. Este sistema non explicaba diferentes feitos, como as distancias fixas de Venus e Mercurio con respecto ao Sol, pero polo menos daba aos acontecementos celestes unha explicación racional nos que a intervención divina se daba só na orixe e na final, non no transcurso. Baseándose neste sistema, Hiparco elaborou, no século II a.C., un catálogo de 850 astros e amosou que a Terra non estaba no centro xeométrico do universo, senón que era excéntrica respecto del.

Modelo ptolomeico.

Na época helenística (século II d.C.), Tolomeo, en Alexandría, na súa obra coñecida como Almaxesto impón a teoría xeocéntrica do universo. Esta teoría supoñía á Terra inmóbil e situada no centro do universo, e xirando ao redor dela, en pequenos círculos, a Lúa. Mercurio, Venus e o Sol, por esta orde, e todo isto debaixo dunha bóveda de estrelas fixas. Nesta época, pero uns douscentos anos máis tarde, destaca tamén Hipatia de Alexandría, considerada como a primeira muller científica da historia (matemática e filósofa), e unha das derradeiras representantes do neoplatonismo; o seu pensamento filosófico (e a súa negativa a converterse ao cristianismo) suscitou as iras do patriarca de Alexandría, Cirilo, de xeito que a astrónoma foi asasinada por unha turba de cristiáns, segundo se di (sen probas) instigados por Cirilo. Así que o sistema xeocéntrico, "doutrina oficial", chegou a converterse practicamente nun dogma, e perdurou até finais da Idade Media, debido á grande influencia que exercían as concepcións relixiosas, que condenaban -a causa dunha interpretación literal da Biblia- calquera idea que se afastase do modelo xeocéntrico. Por outra parte, Tolomeo reuniu un catálogo con máis de 1 000 astros.

A civilización romana realizou escasas achegas á ciencia astronómica, xa que practicamente se limitou a conservar os coñecementos adquiridos. Así, a obra dos grandes astrónomos antigos que acumulaba nas súas bibliotecas pasaron a Bizancio ou Constantinopla (capital do Imperio romano de Oriente), de onde chegaron ás mans dos árabes.

A difusión do cristianismo por Europa levou, na Idade Media, a unha indubidábel diminución da observación astronómica, xa que o interese da astronomía se limitou unicamente a aqueles aspectos que parecían confirmar os textos bíblicos. Só cabe destacar, no século XII, a publicación por orde do rei Afonso X o Sabio de Castela das chamadas Tablas afonsinas, que describían os supostos camiños que percorrían os astros e se baseaban, tamén, en círculos de esferas.

Pola contra, a civilización musulmán tomaba o coñecemento do ceo como unha disciplina afín ás propias crenzas relixiosas, pois permitía achar en calquera punto o camiño cara á Meca, imprescindíbel para realizar as oracións cotiás. Os árabes destacaron tamén pola tradución, recompilación e difusión dos coñecementos astronómicos gregos e alexandrinos, e pola mellora dos instrumentos de medición e rexistro, como o astrolabio.

No Renacemento as crenzas na astronomía subordináronse ao estudo racional e obxectivo da natureza, establecéndose así as bases da astronomía moderna. Isto debeuse en gran parte á extraordinaria difusión que tiveron os coñecementos científicos da antiga Grecia (e non só os de Aristóteles), que produciu un novo afán de investigar e criticar as vellas ideas presentes no medievo.

O polaco Nicolás Copérnico (1473-1543) fixo unha interpretación do sistema solar completamente diferente dos modelos anteriores (de aí a expresión xiro copernicano que empregamos hoxe para dicir que algo cambiou completamente). Segundo o seu sistema heliocéntrico todos os planetas, incluída a Terra, xiran ao redor do Sol en órbitas circulares, tanto máis apresa canto máis preto están del. A Terra, ademais de xirar ao redor do Sol, xira sobre si mesma (o que explica o movemento aparente do Sol); e se as estrelas se observan fixas, é porque están moi lonxe.

A obra de Copérnico estimulou unha corrente de observacións astronómicas en toda Europa. Este novo auxe da astronomía e as observacións frutificou nos traballos de Tycho Brahe (1546-1601) e Johannes Kepler (1571-1630) a cerca da posición do planeta Marte, a reinterpretación dos movementos dos planetas e a demostración de que o Sol ocupaba un dos focos da órbita elíptica (non circular) de Marte.

Importantes foron as achegas do inglés Francis Bacon (1561-1626 e o francés René Descartes (1596-1650), que mantiveron unha interesante polémica sobre o método científico. Bacon rexeitou o emprego das matemáticas e propugnou abertamente o método empírico. Pola contra, Descates formulou un sistema segundo o cal todo proceso natural se reduce a un proceso físico, todo o físico a algo mecánico, e todo o mecánico ao matemático.

Os científicos anteriormente citados sentaron as bases dos descubrimentos que se fixeron xa no século XVII grazas ao telescopio. Galileo Galilei (1564-1642) foi o primeiro que empregou este instrumento, desenvolvendo un anteollo con capacidade de observación astronómica co que observou sombras no Sol e mais na Lúa, as fases de Venus e descubriu os catro satélites maiores de Xúpiter, demostrando deste xeito que existen corpos celestes que non xiran ao redor do Sol. No entanto, as súas investigacións foron acollidas con grande hostilidade, especialmente pola Igrexa, o que lle valeu un proceso -e unha condena, pese a súa retractación- perante o Tribunal do Santo Oficio (Inquisición).

Todo este progreso de ciencia culminou, na segunda metade do século XVII, con sir Isaac Newton (1642-1727) que ao formular a lei da gravitación universal, dá un empurrón final ás teorías de Copérnico, quedando así as ideas xeocéntricas relegadas á historia. Na súa monumental obra Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Principios matemáticos da filosofía da natureza) definíanse as leis do movemento, baseadas nos traballos de Kepler e Galileo. Newton perfeccionou os avances na observación coa construción do primeiro telescopio refractor, que permitiu novos descubrimentos, a fixación de cálculos astronómicos de gran precisión, e o seu emprego deu lugar á fundación dos observatorios de París e de Greenwich (Londres).

A partir dese momento, e coa constante mellora dos instrumentos e métodos de observación, foron acadándose novos coñecementos que conduciron á visión actual do universo. O matemático suízo Leonhard Euler (1707-1783) perfeccionou o modelo das órbitas planetarias e demostrou de que maneira estas cambian de tamaño e excentricidade segundo a atracción dos demais corpos celestes. O francés Jean Le Rond d'Alembert (1717-1783) estableceu a precesión da Terra, movemento retrógrado ao redor do polo da eclíptica, e Joseph Louis Lagrange (1736-1813) e Pierre-Simon de Laplace (1749-1827) fixaron os límites das órbitas elípticas. Por outro lado, o alemán Carl Friedrich Gauss (1777-1855) atopou un modelo para determinar á órbita dun planeta.

O traballo conxunto de varios astrónomos permitiu por fin a Laplace integrar os percorridos dos corpos que forman o sistema solar segundo o modelo gravitacional de Newton. Este traballo constituíu o tratado de Mecánica celeste, que se publicou en 1789. Nel, Laplace formulou a teoría nebular, segundo a cal o Sol e os seus planetas teríanse orixinado a partir dunha nube de partículas (nebulosa) que, ao xirar, se contraería e elevaría a súa temperatura; durante o xiro, desprenderíanse fragmentos de materia que, retidos pola forza da gravidade, comezarían a orbitar ao redor da nube central, precursora do Sol, como precursores dos planetas serían estes fragmentos.

Por estas épocas, o astrónomo inglés William Herschel (1738-1822) descubriu o planeta Urano, que parecía estar influído por outro astro, aínda descoñecido. Este astro era o planeta Neptuno, que Urbain Le Verrier (1811-1877) descubriría en 1846. Do mesmo xeito, os problemas adicionais suscitados polo percorrido deste planeta resolveunos o norteamericano Percival Lowell (1855-1916) que, en 1915, entreviu a existencia de Plutón; este último planeta (que non derradeiro) non veu confirmada a súa existencia até 1930, aínda que non se puido observar ata 1950.

A principios do século XX, o tamén norteamericano Edwin Hubble (1889-1953) considerou que o sistema solar estaba integrado nunha grande acumulación de estrelas, é dicir, nunha galaxia, a Vía Láctea que, á súa vez, é unha pequena parte do universo, que estaría constituído por millóns de galaxias. O coñecemento humano dos corpos celestes non deixou de ampliarse, e levou ao descubrimento de novas entidades como os quásares ou os buratos negros.

Evolución

Teoría sobre a orixe e a formación do Universo (big-bang)

Artigo principal: Big-bang.

O feito de que o universo estea en expansión derívase das observacións do corremento cara ao vermello realizadas na década de 1920 e que se cuantifican pola lei de Hubble. Ditas observacións son a predición experimental do modelo de Friedmann-Robertson-Walker, que é unha solución das ecuacións de campo de Einstein da relatividade xeral, que predín o inicio do universo mediante un big-bang.

O "corremento cara ao vermello" é un fenómeno observado polos astrónomos, que mostra unha relación directa entre a distancia dun obxecto remoto (como unha galaxia) e a velocidade coa que este se afasta. Se esta expansión foi continua ao longo da vida do universo, entón no pasado estes obxectos distantes que seguen afastándose tiveron que estar unha vez xuntos. Esta idea dá pé á teoría do big-bang; o modelo dominante na cosmoloxía actual.

Durante a era máis temperá do big-bang, crese que o universo era un quente e denso plasma. Segundo avanzou a expansión, a temperatura decreceu ata o punto en que se puideron formar os átomos. Naquela época, a enerxía de fondo desacoplouse da materia e foi libre de viaxar a través do espazo. A enerxía remanente continuou arrefriándose ao expandirse o universo e hoxe forma o fondo cósmico de microondas. Esta radiación de fondo é remarcablemente uniforme en todas as direccións, circunstancia que os cosmólogos intentaron explicar como reflexo dun período cedo de inflación cósmica despois do big-bang.

O exame das pequenas variacións no fondo da radiación de microondas proporciona información sobre a natureza do universo, incluíndo a idade e composición. A idade do universo desde o big-bang, de acordo á información actual proporcionada polo WMAP da NASA, estímase nuns 13.700 millóns de anos, cunha marxe de erro dun 1 % (137 millóns de anos). Outros métodos de estimación ofrecen diferentes rangos de idade, desde 11.000 millóns a 20.000 millóns.

Sopa Primixenia

Ata fai pouco, a primeira centésima de segundo era máis ben un misterio, impedindo os científicos describir exactamente como era o universo. Os novos experimentos no RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), no Brookhaven National Laboratory, proporcionaron aos físicos unha luz nesta cortina de alta enerxía, de tal xeito que poden observar directamente os tipos de comportamento que poden tomar lugar nese instante.

Nestas enerxías, os quarks que compoñen os protóns e os neutróns non estaban xuntos, e unha mestura densa superquente de quarks e gluóns, con algúns electróns, era todo o que podía existir nos microsegundos anteriores a que se arrefriasen o suficiente para formar o tipo de partículas de materia que observamos hoxe en día.

Protogalaxias

Artigo principal: Protogalaxia.

Os rápidos avances acerca do que pasou logo da existencia da materia achegan moita información sobre a formación das galaxias. Crese que as primeiras galaxias eran débiles "galaxias ananas" que emitían tanta radiación que separarían os átomos gaseosos dos seus electróns. Este gas, á súa vez, estábase quentando e expandindo, e tiña a posibilidade de obter a masa necesaria para formar as grandes galaxias que coñecemos hoxe en día.

Destino derradeiro

Artigo principal: Derradeiro destino do Universo.

O destino final do universo ten diversos modelos que explican o que sucederá en función de diversos parámetros e observacións. A continuación explícanse os modelos fundamentais máis aceptados:

Big Crunch ou a Grande Implosión

Artigo principal: Big Crunch.

É posible que o inmenso aro que rodeaba ás galaxias sexa unha forma de materia que resulta invisible desde a Terra. Esta materia escura talvez constitúa o 91% de todo o que hai no universo (21% da masa do Universo observable e 70% da enerxía escura.).

Se o universo é suficientemente denso, é posible que a forza gravitatoria de toda esa materia poida finalmente deter a expansión inicial, de tal xeito que o universo volvería contraerse, as galaxias empezarían a retroceder, e co tempo colidirían entre si. A temperatura elevaríase, e o universo precipitaríase cara a un destino catastrófico no que quedaría reducido novamente a un punto.

Algúns físicos especularon que despois se formaría outro universo, nese caso repetiríase o proceso. A esta teoría coñecésella como a teoría do universo oscilante.

Hoxe en día esta hipótese parece incorrecta, pois á luz dos últimos datos experimentais, o Universo estase expandindo cada vez máis rápido.

Big Rip ou Gran Desgarramento

Artigo principal: Big Rip.

Recreación artística do Big Rip.

O Gran Desgarramento ou Teoría da Eterna Expansión, chamado en inglés Big Rip, é unha hipótese cosmolóxica, presentada en 2003 por primeira vez, sobre o destino último do universo. Este posible destino final do universo depende da cantidade de enerxía escura existente no Universo. Se o universo contén suficiente enerxía escura, podería acabar nun desgarramento de toda a materia.

O valor clave é w, a razón entre a presión da enerxía escura e a súa densidade enerxética. A w < -1, o universo acabaría por ser desgarrado. Primeiro, as galaxias separaríanse entre si, daquela a gravidade sería demasiado débil para manter integrada cada galaxia. Os sistemas planetarios perderían a súa cohesión gravitatoria. Nos últimos minutos, desbarataranse estrelas e planetas, e os átomos serán destruídos.

Os autores desta hipótese calculan que o fin do tempo ocorrería aproximadamente 3,5×10¹⁰ anos despois do big-bang, é dicir, dentro de 2,0×10¹⁰ anos.

Unha modificación desta teoría denominada Big Freeze, aínda que pouco aceptada,^{[Cómpre referencia]} afirma que o universo continuaría a súa expansión sen provocar un Big Rip.

Descrición física

Tamaño

Artigo principal: Universo observable.

Moi pouco se coñece con certeza sobre o tamaño do universo. Pode ter unha lonxitude de billóns de anos luz ou ata ter un tamaño infinito. Un artigo de 2003 di establecer unha cota inferior de 24 gigaparsecs (78.000 millóns de anos luz) para o tamaño do universo, pero non hai ningunha razón para crer que esta cota está dalgún xeito moi axustada (Véxase forma do universo).

O universo observable (ou visible), que consiste en toda a materia e enerxía que podía habernos afectado desde o big-bang dada a limitación da velocidade da luz, é certamente finito. A distancia comóvil ao extremo do universo visible rolda os 46.500 millóns de anos luz en todas as direccións desde a Terra. Así, o universo visible pódese considerar como unha esfera perfecta coa Terra no centro, e un diámetro duns 93.000 millóns de anos luz. Hai que notar que moitas fontes publicaron unha ampla variedade de cifras incorrectas para o tamaño do universo visible: desde 13.700 ata 180.000 millóns de anos luz. (Véxase universo observable).

No Universo as distancias que separan os astros son tan grandes que, se quixeramos expresala en metros, teriamos que utilizar cifras moi grandes. Debido a iso, utilízase como unidade de lonxitude o ano luz, que corresponde á distancia que percorre a luz nun ano.

Hoxe en día, o modelo de universo máis comunmente aceptado é o proposto por Albert Einstein na súa Relatividade Xeral, na que propón un universo "finito pero ilimitado", é dicir, que malia ter un volume medible non ten límites, de forma análoga á superficie dunha esfera, que é medible pero ilimitada.

Forma

Artigos principais: Forma do Universo e Estrutura a grande escala do universo.

Universum, Gravado Flammarion, xilografía, publicada en París 1888.

Unha pregunta importante aberta en cosmoloxía é a forma do universo. Matematicamente, que 3-variedades representan mellor a parte espacial do universo?

Se o universo é espacialmente plano, descoñécese se as regras da xeometría euclidiana serán válidas a maior escala. Hoxe en día moitos cosmólogos cren que o Universo observable está moi preto de ser espacialmente plano, con engurras locais onde os obxectos masivos distorsionan o espazo-tempo, da mesma forma que a superficie dun lago é case plana. Esta opinión foi reforzada polos últimos datos do WMAP, mirando cara ás "oscilacións acústicas" das variacións de temperatura na radiación de fondo de microondas.

Por outra banda, descoñécese se o universo é conexo. O universo non ten cotas espaciais de acordo ao modelo estándar do big-bang, pero con todo debe ser espacialmente finito (compacto). Isto pódese comprender utilizando unha analoxía en dúas dimensións: a superficie dunha esfera non ten límite, pero non ten unha área infinita. É unha superficie de dúas dimensións con curvatura constante nunha terceira dimensión. A 3-esfera é un equivalente en tres dimensións no que as tres dimensións están constantemente curvadas nunha cuarta.

Se o universo fose compacto e sen cotas, sería posible, logo de viaxar unha distancia suficiente, volver ao momento de partida. Así, a luz das estrelas e galaxias podería pasar a través do universo observable máis dunha vez. Se o universo fose multiplemente conexo e suficientemente pequeno (e dun tamaño apropiado, talvez complexo) entón posiblemente poderíase ver unha ou varias veces ao redor del nalgunha (ou todas) direccións. Aínda que esta posibilidade non foi descartada, os resultados das últimas investigacións da radiación de fondo de microondas fan que isto pareza improbable.

Cor

Café cortado cósmico, a cor do universo.

Historicamente creuse que o Universo é de cor negra, pois é o que observamos ao momento de mirar ao ceo nas noites despexadas. En 2002, con todo, os astrónomos Karl Glazebrook e Ivan Baldry afirmaron nun artigo científico que o universo en realidade é dunha cor que decidiron chamar café cortado cósmico. Este estudo baseouse na medición do rango espectral da luz proveniente dun gran volume do Universo, sintetizando a información proporcionada por un total de máis de 200.000 galaxias

Homoxeneidade e isotropía

Flutuacións na radiación de fondo de microondas, Imaxe NASA/WMAP.

Mentres que a estrutura está considerablemente fractalizada a nivel local (ordenada nunha xerarquía de acio), nas ordes máis altas de distancia o universo é moi homoxéneo. A estas escalas a densidade do universo é moi uniforme, e non hai unha dirección preferida ou significativamente asimétrica no universo. Esta homoxeneidade e isotropía é un requisito da Métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker empregada nos modelos cosmolóxicos modernos.

A cuestión da anisotropía no universo primixenio foi significativamente contestada polo WMAP, que buscou flutuacións na intensidade do fondo de microondas. As medidas desta anisotropía proporcionaron información útil e restricións sobre a evolución do Universo. Na actualidae (2020) considérase posible que a expansión do universo non sexa isótropa.

Ata o límite da potencia de observación dos instrumentos astronómicos, os obxectos irradian e absorben a enerxía de acordo ás mesmas leis físicas a como o fan en nosa propia galaxia. Baseándose nisto, crese que as mesmas leis e constantes físicas son universalmente aplicables a través de todo o universo observable. Non se atopou ningunha proba confirmada que mostre que as constantes físicas varíen desde o big-bang.

Composición

Véxase tamén: Abundancia dos elementos químicos.

O universo observable actual parece ter un espazo-tempo xeometricamente plano, contendo unha densidade masa-enerxía equivalente a 9,9 × 10⁻³⁰ gramos por centímetro cúbico. Os constituíntes primarios parecen consistir nun 73 % de enerxía escura, 23 % de materia escura fría e un 4 % de átomos. Así, a densidade dos átomos equivalería a un núcleo de hidróxeno sinxelo por cada catro metros cúbicos de volume. A natureza exacta da enerxía escura e a materia escura fría segue sendo un misterio. Hoxe en día especulase con que o neutrino, (unha partícula moi abundante no universo), teña, aínda que mínima, unha masa. De comprobarse este feito, podería significar que a enerxía e a materia escura non existen.

Durante as primeiras fases do big-bang, crese que se formaron as mesmas cantidades de materia e antimateria. Materia e antimateria deberían eliminarse mutuamente ao entrar en contacto, polo que a actual existencia de materia (e a ausencia de antimateria) supón unha violación da simetría CP, polo que pode ser que as partículas e as antipartículas non teñan propiedades exactamente iguais ou simétricas, ou poida que simplemente as leis físicas que rexen o universo favorezan a supervivencia da materia fronte á antimateria.

Neste mesmo sentido, tamén se suxeriu que quizais a materia escura sexa a causante da barioxénese ao interactuar de distinta forma coa materia que coa antimateria.

Antes da formación das primeiras estrelas, a composición química do universo consistía primariamente en hidróxeno (75 % da masa total), cunha suma menor de helio-4 (⁴He) (24 % da masa total) e o resto doutros elementos. Unha pequena porción destes elementos estaba na forma do isótopo deuterio (²H), helio-3 (³He) e litio (⁷Li). A materia interestelar das galaxias foi enriquecida sen cesar por elementos máis pesados, xerados por procesos de fusión na estrelas, e diseminados como resultado das explosións de supernovas, os ventos estelares e a expulsión da cuberta exterior de estrelas maduras.

O big-bang deixou detrás un fluxo de fondo de fotóns e neutrinos. A temperatura da radiación de fondo decreceu sen cesar coa expansión do universo e agora fundamentalmente consiste na enerxía de microondas equivalente a unha temperatura de 2'725 K. A densidade do fondo de neutrinos actual é sobre 150 por centímetro cúbico.

Estrutura cuántica

Segundo a física moderna, o Universo é un sistema cuántico illado, un campo unificado de ondas que entra en decoherencia ao titor da observación ou medición. En tal virtude, en última instancia, a contorna do Universo sería non local e non determinista.

Multiversos

Artigos principais: Multiverso e Universo paralelo.

Os cosmólogos teóricos estudan modelos do conxunto espazo-tempo que estean conectados, e buscan modelos que sexan consistentes cos modelos físicos cosmolóxicos do espazo-tempo na escala do universo observable. Con todo, recentemente tomaron forza teorías que contemplan a posibilidade de multiversos ou varios universos coexistindo simultaneamente. Segundo a recentemente enunciada teoría de multiexplosións preténdese dar explicación a este aspecto, poñendo en relevo unha posible convivencia de universos nun mesmo espazo.

O universo, unha ilusión?

Científicos do King's College de Londres lograron recrear as condicións inmediatamente seguidas ao big-bang a través do coñecemento adquirido durante dous anos da partícula de Higgs e chegaron á conclusión de que, posiblemente, o universo colapsou, ata deixar de existir case axiña que cando empezou, o que suscita a idea de que todo o que vemos non existe e só é o pasado dos astros.

Estruturas agregadas do universo

As galaxias

Artigo principal: Galaxia.

Recreación artística da Vía Láctea.

A grande escala, o universo está formado por galaxias e agrupacións de galaxias. As galaxias son agrupacións masivas de estrelas, e son as estruturas máis grandes nas que se organiza a materia no universo. A través do telescopio maniféstanse como manchas luminosas de diferentes formas. Á hora de clasificalas, os científicos distinguen entre as galaxias do Grupo Local, composto polas trinta galaxias máis próximas e ás que está unida gravitacionalmente a nosa galaxia (a Vía Láctea), e todas as demais galaxias, ás que chaman "galaxias exteriores".

As galaxias están distribuídas por todo o universo e presentan características moi diversas, tanto no que respecta á súa configuración como á súa antigüidade. As máis pequenas abarcan ao redor de 3000 millóns de estrelas, e as galaxias de maior tamaño poden chegar a abarcar máis dun billón de astros. Estas últimas poden ter un diámetro de 170 000 anos luz, mentres que as primeiras non adoitan exceder dos 6000 anos luz.

Ademais de estrelas e os seus astros asociados (planetas, asteroides etc...), as galaxias conteñen tamén materia interestelar, constituída por po e gas nunha proporción que varía entre o 1 e o 10 % da súa masa.

Estímase que o universo pode estar constituído por uns 100 000 millóns de galaxias, aínda que estas cifras varían en función dos diferentes estudos.

Formas de galaxias

A crecente potencia dos telescopios, que permite observacións cada vez máis detalladas dos distintos elementos do universo, fixo posible unha clasificación das galaxias pola súa forma. Establecéronse así catro tipos distintos: galaxias elípticas, espirais, espirais barradas e irregulares.

Galaxias elípticas

Galaxia elíptica NGC 1316.

Artigo principal: Galaxia elíptica.

En forma de elipse ou de esferoide, caracterízanse por carecer dunha estrutura interna definida e por presentar moi pouca materia interestelar. Considéranse as máis antigas do universo, xa que as súas estrelas son vellas e atópanse nunha fase moi avanzada da súa evolución.

Galaxias lenticulares

Artigo principal: Galaxia lenticular.

As galaxias deste tipo foron no seu momento galaxias espirais, pero consumiron ou perderon gran parte de materia interestelar, polo que hoxe carecen de brazos espirais e só presenta o seu núcleo. Aínda que ás veces existe certa cantidade de materia interestelar, sobre todo po, que se agrupa en forma de disco ao redor desta. Estas galaxias constitúen ao redor do 3 % das galaxias do universo.

Galaxias espirais

Artigo principal: Galaxia espiral.

Están constituídas por un núcleo central e dous ou máis brazos en espiral, que parten do núcleo. Este áchase formada por multitude de estrelas e apenas ten materia interestelar, mentres que nos brazos abunda a materia interestelar e ten gran cantidade de estrelas novas, que son moi brillantes. Ao redor do 75 % das galaxias do universo son deste tipo.

Galaxia espiral barrada

Artigo principal: Galaxia espiral barrada.

É un subtipo de galaxia espiral, caracterizados pola presenza dunha barra central da que tipicamente parten dous brazos espirais. Este tipo de galaxias constitúen unha fracción importante do total de galaxias espirais. A Vía Láctea é unha galaxia espiral barrada.

Galaxias irregulares

A galaxia NGC 1427A é un exemplo de galaxia irregular. É unha galaxia da categoría Irr-I situada a uns 52 millóns de anos luz.

Artigo principal: Galaxia irregular.

Este tipo de galaxias inclúen unha gran diversidade de galaxias, cuxas configuracións non responden as tres formas anteriores, aínda que teñen en común algunhas características, como a de ser case todas pequenas e conter unha gran porcentaxe de materia interestelar. Calcúlase que son irregulares ao redor do 5 % das galaxias do universo.

A Vía Láctea

Artigo principal: Vía Láctea.

A Vía Láctea é nosa galaxia. Segundo as observacións, posúe unha masa de 10¹² masas solares e é de tipo espiral barrada. Cun diámetro medio duns 100 000 anos luz calcúlase que contén uns 200 000 millóns de estrelas, entre as cales se atopa o Sol. A distancia desde o Sol ao centro da galaxia é de ao redor de 27 700 anos luz (8,5 kpc) A primeira ollada, obsérvase como un ronsel esbrancuxado de forma elíptica, que se pode distinguir nas noites despexadas. O que non se aprecian son os seus brazos espirais, nun dos cales, o chamado brazo de Orión, está situado o noso sistema solar, e polo tanto a Terra.

O núcleo central da galaxia presenta un espesor uniforme en todos os seus puntos, agás no centro, onde existe un grande avultamento cun grosor máximo de 16 000 anos luz e cun grosor medio de 6000 anos luz.

Vía Láctea

Todas as estrelas e a materia interestelar que contén a Vía Láctea, tanto no núcleo central como nos brazos, están situadas dentro dun disco de 100 000 anos luz de diámetro, que vira sobre o seu eixo a unha velocidade lineal superior aos 216 km/s.

Véxase tamén

Outros artigos

• Cronoloxía do Universo